A estrutura espacial das moléculas de substâncias inorgânicas e orgânicas é de grande importância na descrição de suas propriedades químicas e físicas. Se considerarmos uma substância como um conjunto de letras e números no papel, nem sempre é possível chegar a conclusões corretas. Para descrever muitos fenômenos, principalmente aqueles relacionados à química orgânica, é necessário conhecer a estrutura estereométrica da molécula.
O que é estereometria
Estereometria é um ramo da química que explica as propriedades das moléculas de uma substância com base em sua estrutura. Além disso, a representação espacial de moléculas desempenha um papel importante aqui, uma vez que é a chave para muitos fenômenos bioorgânicos.
Estereometria é um conjunto de regras básicas pelas quais quase qualquer molécula pode ser representada em forma volumétrica. A desvantagem da fórmula bruta escrita em um pedaço de papel comum é sua incapacidade de revelar a lista completa de propriedades da substância em estudo.
Um exemplo seria o ácido fumárico, que pertence à classe dibásica. É pouco solúvel em água,venenoso e pode ser encontrado na natureza. No entanto, se você alterar o arranjo espacial dos grupos COOH, poderá obter uma substância completamente diferente - o ácido maleico. É altamente solúvel em água, só pode ser obtido artificialmente e é perigoso para os seres humanos devido às suas propriedades tóxicas.
Teoria estereoquímica de Van Hoff
No século 19, as idéias de M. Butlerov sobre a estrutura plana de qualquer molécula não podiam explicar muitas propriedades das substâncias, especialmente as orgânicas. Este foi o impulso para van't Hoff escrever a obra "Química no Espaço", na qual complementava a teoria de M. Butlerov com suas pesquisas nesta área. Ele introduziu o conceito da estrutura espacial das moléculas e também explicou a importância de sua descoberta para a ciência química.
Assim, ficou comprovada a existência de três tipos de ácido lático: láctico de carne, ácido lático dextrorotatório e ácido lático fermentado. Em um pedaço de papel para cada uma dessas substâncias, a fórmula estrutural será a mesma, mas a estrutura espacial das moléculas explica esse fenômeno.
O resultado da teoria estereoquímica de Van't Hoff foi a prova do fato de que o átomo de carbono não é plano, pois suas quatro ligações de valência estão voltadas para os vértices de um tetraedro imaginário.
Estrutura espacial piramidal de moléculas orgânicas
Com base nas descobertas de van't Hoff e sua pesquisa, cada carbono no esqueleto da matéria orgânica pode ser representado como um tetraedro. É assim que nóspodemos considerar 4 casos possíveis de formação de ligações C-C e explicar a estrutura de tais moléculas.
O primeiro caso é quando a molécula é um único átomo de carbono que forma 4 ligações com prótons de hidrogênio. A estrutura espacial das moléculas de metano repete quase completamente os contornos de um tetraedro, no entanto, o ângulo de ligação é ligeiramente alterado devido à interação dos átomos de hidrogênio.
A formação de uma ligação química C-C pode ser representada como duas pirâmides, que são interconectadas por um vértice comum. A partir de tal construção da molécula, pode-se ver que esses tetraedros podem girar em torno de seu eixo e mudar livremente de posição. Se considerarmos este sistema usando o exemplo de uma molécula de etano, os carbonos no esqueleto são realmente capazes de girar. No entanto, das duas posições características, a preferência é dada à energeticamente favorável, quando os hidrogênios na projeção de Newman não se sobrepõem.
A estrutura espacial da molécula de etileno é um exemplo da terceira variante da formação de ligações C-C, quando dois tetraedros têm uma face comum, ou seja, interceptam em dois vértices adjacentes. Fica claro que por causa de tal posição estereométrica da molécula, o movimento dos átomos de carbono em relação ao seu eixo é difícil, porque requer quebrar um dos links. Por outro lado, a formação de isômeros cis e trans de substâncias torna-se possível, uma vez que dois radicais livres de cada carbono podem ser espelhados ou cruzados.
Cis- e transposição da molécula explica a existência de fumárico e maleicoácidos. Duas ligações são formadas entre os átomos de carbono nessas moléculas, e cada uma delas tem um átomo de hidrogênio e um grupo COOH.
O último caso, que caracteriza a estrutura espacial das moléculas, pode ser representado por duas pirâmides que possuem uma face comum e estão interligadas por três vértices. Um exemplo é a molécula de acetileno.
Em primeiro lugar, tais moléculas não possuem isômeros cis ou trans. Em segundo lugar, os átomos de carbono não são capazes de girar em torno de seu eixo. E em terceiro lugar, todos os átomos e seus radicais estão localizados no mesmo eixo, e o ângulo de ligação é de 180 graus.
Claro, os casos descritos podem ser aplicados a substâncias cujo esqueleto contém mais de dois átomos de hidrogênio. O princípio da construção estereométrica de tais moléculas é mantido.
Estrutura espacial de moléculas de substâncias inorgânicas
A formação de ligações covalentes em compostos inorgânicos é semelhante em mecanismo ao de substâncias orgânicas. Para formar uma ligação, é necessário ter pares de elétrons não compartilhados em dois átomos, que formam uma nuvem de elétrons comum.
A sobreposição de orbitais durante a formação de uma ligação covalente ocorre ao longo de uma linha de núcleos atômicos. Se um átomo forma duas ou mais ligações, então a distância entre elas é caracterizada pelo valor do ângulo de ligação.
Se considerarmos uma molécula de água, que é formada por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, o ângulo de ligação deve ser idealmente de 90 graus. No entantoestudos experimentais mostraram que esse valor é de 104,5 graus. A estrutura espacial das moléculas difere da prevista teoricamente devido à presença de forças de interação entre os átomos de hidrogênio. Eles se repelem, aumentando assim o ângulo de ligação entre eles.
Sp-hibridização
Hibridização é a teoria da formação de orbitais híbridos idênticos de uma molécula. Esse fenômeno ocorre devido à presença de pares de elétrons não compartilhados em diferentes níveis de energia no átomo central.
Por exemplo, considere a formação de ligações covalentes na molécula BeCl2. O berílio tem pares de elétrons não compartilhados nos níveis s e p, o que, em teoria, deveria causar a formação de uma molécula de canto irregular. No entanto, na prática eles são lineares e o ângulo de ligação é de 180 graus.
Sp-hibridização é usada na formação de duas ligações covalentes. No entanto, existem outros tipos de formação de orbitais híbridos.
hibridização Sp2
Esse tipo de hibridização é responsável pela estrutura espacial de moléculas com três ligações covalentes. Um exemplo é a molécula BCl3. O átomo central de bário tem três pares de elétrons não compartilhados: dois no nível p e um no nível s.
Três ligações covalentes formam uma molécula que está localizada no mesmo plano, e seu ângulo de ligação é de 120 graus.
hibridização Sp3
Outra opção para a formação de orbitais híbridos, quando o átomo central possui 4 pares de elétrons não compartilhados: 3 no nível p e 1 no nível s. Um exemplo de tal substância é o metano. A estrutura espacial das moléculas de metano é um tetraerd, cujo ângulo de valência é de 109,5 graus. A mudança no ângulo é caracterizada pela interação dos átomos de hidrogênio entre si.
